CN112926792A - 基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法及系统，在加工过程中，如果没有突发事件出现，那么所有车辆将以初始顺序完成加工，然后下线。如果出现紧急插单、撤单等订单变更动突发事件，或者到了再调度周期时间，需要进行滚动窗口重调度时，则根据动态调度数学模型，对滚动窗口内的车辆进行重调度，调度完成后，将以新的顺序进行生产。在事件出现并且动态调度完成后，当达到动态调度固定周期后，将再次触发滚动窗口动态调度，重复动态调度，直至车辆最终生产加工完成。本发明通过采用滚动调度策略，能够对出现的订单变更进行再调度优化，生成新的生产计划，相比人按照经验调度对加工性能指标进行优化，可以有效提升生产效率。

Description

基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法及系统。
背景技术
在汽车制造中，一辆汽车需要依次经过焊接、涂装、总装车间的加工，才能被加工完毕，并最终被配送到消费者手中。在整个生产过程中，焊接车间负责将汽车的各焊接零部件拼装焊接起来，并生产出合格的焊接白车身。接着在涂装车间，白车身会被涂上颜料，在总装车间，各种汽车配饰会被安装完毕。
焊接车间作为汽车生产的上线点，订单发生变更，需要及时在焊接车间变更汽车上线计划。作为汽车开始组装生产的第一个车间，焊接车间需要根据生产计划，按照顺序将不同的车辆上线，并进行相应的焊接制造。当订单发生变更后，也就是发生订单取消、紧急插单等意外事情后，焊接车间需要第一时间作出反应，根据订单变更信息，调整上线的计划。因此，从汽车制造整个流程来说，焊接车间与订单变更意外处理的关系，具有很紧密的联系。
目前处理订单变更的主流方式是，对变更的订单部分，只进行粗略的处理，缺乏调度优化。在当前的企业生产中，发生订单变更时，会把控制权交给现场一线员工，让他们对紧急插单、订单取消进行现场处置，将不会对系统中排好的计划进行优化调整。当出现紧急插单事件时，现场员工会把紧急的订单直接放到上线队列的最前端，让相关的订单最先上线开始生产；当发生订单取消事件后，一线员工会直接从序列中将相关的订单取消，再按照计划生产；当发生订单提前事情时，生产一线直接将提前订单放到上线队列的最前面；由生产一线来对订单变更做出应对，会产生一些问题，在变更后，并没有对原来的生产计划进行优化，原来的生产序列只是进行了简单地增加或者删除，若变更订单后，仍然按照之前的生产序列生产，将会导致生产效率降低、最大完工时间边长等后果。
目前国内的主流处理方式会影响到生产的效率和成本，有必要对订单变更后的调度方法进行优化。当前国内的汽车生产厂商，大部分采取此类生产一线调整应对订单变更的方法，但此种方法比较落后，需要提出更高效的方法来处理订单的变更。
在实际汽车生产中，对订单的变更只进行粗略的处理，将处理的过程交给一线员工，处理的过程缺乏调度优化。在当前的企业生产中，发生订单变更时，生产一线员工会对对紧急插单、订单取消进行处置，此时系统中将不再对相关的生产序列进行优化重调度。当出现紧急插单事件时，现场员工会把紧急的订单直接放到上线队列的最前端，让相关的订单最先上线开始生产；当发生订单取消事件后，一线员工会直接从序列中将相关的订单取消，再按照计划生产；当发生订单提前事情时，生产一线直接将提前订单放到上线队列的最前面；由生产一线员工来对订单变更做出应对时，并没有对原来的生产计划进行调度优化，只是对原来的生产序列进行了简单地增加或者删除。但是，若仍然按照之前的生产序列生产，将会导致生产效率降低、最大完工时间边长等后果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法及系统，以解决目前加工过程中在出现订单变更动后会导致生产效率降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，包括
S1：确定滚动窗口能容纳的白车身数量，按照初始顺序加工白车身，并按照加工程度将待加工的白车身进行分类；
S2：选取性能优化目标，构建动态调度数学模型；
S3：判断当前时间点是否为再调度周期时间的调度时刻或是否出现订单变更事件，若当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则执行步骤S4；否则，继续按照初始顺序加工白车身；
S4：当加工一段时间后，当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则对滚动窗口内的白车身进行再调度，根据动态调度数学模型生成新的白车身加工序列；
S5：根据再调度后新的白车身加工序列进行加工。
进一步地，所述再调度周期时间为变再调度周期时间，使再调度次数与生产车间的负荷成正比。
进一步地，选取最小化最大完工时间或/和物料消耗均衡度最大作为性能优化目标。
进一步地，当选取最小化最大完工时间作为性能优化目标时，所述动态调度数学模型为：
minf1＝min{maxCi}
其中，minf1表示通过调整汽车上线的顺序，使得最后一辆车的下线时间距离第一辆车的开工时间差值最小；Ci表示第i辆车的完工时间。
进一步地，当选取物料消耗均衡度最大作为性能优化目标时，所述动态调度数学模型为：
Figure BDA0002985239210000031
其中，N1为本次生产的汽车总数量；N2为一辆车所需要的零部件总类别数；EVi,j表示在总共N1个订单中，平均每
Figure BDA0002985239210000041
个订单会使用一次零件Mi,j的期望；Vi,j表示订单。
此外，本申请还提供了一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度系统，包括MES系统，所述MES系统内存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时能够实现以下步骤：
S1：确定滚动窗口能容纳的白车身数量，按照初始顺序加工白车身，并按照加工程度将待加工的白车身进行分类；
S2：选取性能优化目标，构建动态调度数学模型；
S3：判断当前时间点是否为再调度周期时间的调度时刻或是否出现订单变更事件，若当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则执行步骤S4；否则，继续按照初始顺序加工白车身；
S4：当加工一段时间后，当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则对滚动窗口内的白车身进行再调度，根据动态调度数学模型生成新的白车身加工序列；
S5：根据再调度后新的白车身加工序列进行加工。
本发明的有益效果为：通过采用滚动调度策略，能够对出现的订单变更进行再调度优化，生成新的生产计划，相比人按照经验调度对加工性能指标进行优化，可以有效提升生产效率，保证零部件消耗的均衡性；并且，只有在出现了订单变更或者到了再调度周期后，才会执行再调度程序，对生产现场干涉小；此外，调度操作在滚动窗口中进行，数据量少，可以在初步优化结果的基础上，取得更好的优化效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的流程图；
图2为滚动窗口周期再调度示意图；
图3为滚动窗口紧急插单示意图；
图4为滚动窗口紧急撤单示意图。
具体实施方式
如图1所示的基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，该方法包括以下步骤：
S1：确定滚动窗口能容纳的白车身数量，按照初始顺序加工白车身，并按照加工程度将待加工的白车身进行分类；
S2：选取性能优化目标，构建动态调度数学模型；
S3：判断当前时间点是否为再调度周期时间的调度时刻或是否出现订单变更事件，若当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则执行步骤S4；否则，继续按照初始顺序加工白车身；
S4：当加工一段时间后，当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则对滚动窗口内的白车身进行再调度，根据动态调度数学模型生成新的白车身加工序列；
S5：根据再调度后新的白车身加工序列进行加工。
在实际的生产过程中，可根据计算机的性能、求解算法的性能来选定滚动窗口能容纳的白车身数量。滚动调度中的白车身可分成四个集合，包括己完成白车身集、正在加工白车身集、未加工白车身集、待加工白车身集。未加工白车身集中的白车身指的是已发生调度但还未进入加工状态的白车身，待加工白车身集中的白车身指的是还未发生调度，但是正等待调度的白车身。窗口白车身中的白车身包括正在加工白车身、未加工白车身和待加工白车身，正在加工白车身和未加工白车身的开始加工时间在初始调度方案中已经制定。每次在滚动调度优化时，只需要从白车身窗口中移去已完成白车身集，加入待加工白车身集，然后运用相应的优化算法对窗口白车身进行调度，得到的新的调度方案。
上述再调度周期是指两次调度之间的时间间隔。在大多数研究中，再调度时间点是均匀分布的，这样做的缺点是再调度次数不能反映车间生产的负荷情况。针对这一问题，本申请采用变再调度周期方法，使再调度次数与生产车间的负荷成正比，负荷越大，再调度次数越频繁。滚动窗口内白车身的数量影响着调度优化的效果，若选取的白车身太少，则优化调度整体效果不理想且机床设备的利用率低；若选取的白车身太多，则对突发事件的响应时间较长，影响车间的生产效率。再调度周期的时间和窗口白车身的数量可以根据生产的实际情况加以确定。
为了提升生产的效率，在动态调度中，选择最小化最大完工时间和物料消耗均衡度最大这两个性能指标。
当选取最小化最大完工时间作为性能优化目标时，所述动态调度数学模型为：
minf1＝min{maxCi}
其中，minf1表示通过调整汽车上线的顺序，使得最后一辆车的下线时间距离第一辆车的开工时间差值最小；Ci表示第i辆车的完工时间。
当选取物料消耗均衡度最大作为性能优化目标时，由于焊接车间的需求之一是使物料消耗速度均衡化，即对于每一种零件，要让使用它的时间间隔趋于稳定，因此将零件Mi,j的使用情况表达为：
Figure BDA0002985239210000071
此时，零件Mi,j的理想消耗速度为：
Figure BDA0002985239210000072
其中，EVi,j表示在总共N1个订单中，平均每
Figure BDA0002985239210000073
个订单会使用一次零件Mi,j的期望。而对于模型未考虑的零部件，将其假设为每个订单都会使用的通用零件，其消耗速度为
EVi,j＝1
因此通用零件的消耗速度无讨论的必要，而除通用零件之外的所有零件消耗速度的期望与其实际消耗速度的均方差即为焊接车间的优化目标f2：
Figure BDA0002985239210000074
其中，N1为本次生产的汽车总数量，N2为一辆车所需要的零部件总类别数。
此外，本申请还提供了一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度系统，包括MES系统，
所述MES系统内存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时能够实现以下步骤：
S1：确定滚动窗口能容纳的白车身数量，按照初始顺序加工白车身，并按照加工程度将待加工的白车身进行分类；
S2：选取性能优化目标，构建动态调度数学模型；
S3：判断当前时间点是否为再调度周期时间的调度时刻或是否出现订单变更事件，若当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则执行步骤S4；否则，继续按照初始顺序加工白车身；
S4：当加工一段时间后，当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则对滚动窗口内的白车身进行再调度，根据动态调度数学模型生成新的白车身加工序列；
S5：根据再调度后新的白车身加工序列进行加工；
S6：重复步骤S3-S5，直至加工完成所有车辆。
上述动态调度步骤可以使用代码的形式，写入到生产MES系统中去，通过来MES系统实现自动对出现的订单变更进行再调度优化，生成新的生产计划，改变未上线车辆的上线顺序。
下面对上述方法的实际应用进行举例说明：
过程中需要注意的参数有2个，分别是再调度的周期、滚动时间窗口的大小。一般地，再调度的周期定为1个小时，滚动时间窗口大小定义为1个小时的生产数量，譬如，某工厂的JPH为50，则滚动时间窗口大小可设置为50。
此外，本发明对求解目标的方法没有规定，可以采取各种方法进行求解。下面的四个案例中，所涉及的目标求解方法，均采用遗传算法求解。在应用本专利时，可以自己选择求解模型的算法，灵活性较大。
实例所使用的数据如下所示：
表1各工位加工时长(单位为秒，切换车型时需要120秒切换夹具的时间)
Figure BDA0002985239210000081
Figure BDA0002985239210000091
表2各车型配置表
Figure BDA0002985239210000092
表3各车型需求量
汽车名称 数量
A-I 10
A-II 10
A-III 10
A-IV 10
A-V 10
B-I 10
B-II 10
B-III 10
B-IV 10
C-I 10
C-II 10
C-III 10
D-I 10
D-II 10
表4预排产生成的生产序列(对拟上线的30辆车重排序)
Figure BDA0002985239210000101
Figure BDA0002985239210000111
前30辆车序列和目标值：
表5预排产的滚动窗口内的生产序列
Figure BDA0002985239210000112
Figure BDA0002985239210000121
表6预排产的滚动窗口内的目标值
Cmax 均衡度
19514 0.56
假设再调度的周期定为1个小时，滚动时间窗口大小1个小时的生产数量30。下面用三个实例说明本发明的优越性。
实例1
当出现紧急插单事件时，将第41～50号的车辆插入到最前面模拟紧急插单事件。
插单后，未调度前的序列和目标值：
表7重调度前滚动窗口内的生产序列
Figure BDA0002985239210000122
Figure BDA0002985239210000131
表8重调度后滚动窗口内的目标值
目标 Cmax 均衡度
重调度前 19697 3.29
重调度后 19337 0.29
根据结果可知，重调度后最大完工时间和均衡度目标均有了大幅度优化。
实例2
当出现订单取消事件时，把原序列的第21～30号订单取消，后面的补齐，模拟订单取消事件。
撤单后，序列和目标值：
表9重调度前滚动窗口内的生产序列
Figure BDA0002985239210000132
Figure BDA0002985239210000141
表10重调度后滚动窗口内的目标值
目标 Cmax 均衡度
重调度前 19157 0.86
重调度后 18677 0.99
根据结果可知，重调度后，虽然均衡度目标几乎未优化，但最大完工时间目标有了大幅度优化。
实例3
当订单提前事件和订单取消插单事件同时出现时，撤单1-10，并插入51～60插入到最前面
重调度前的序列和目标值：
表11重调度前滚动窗口内的生产序列
Figure BDA0002985239210000151
表12重调度后滚动窗口内的目标值
目标 Cmax 均衡度
重调度前 19886 3.56
重调度后 19046 1.09
根据结果可知，重调度后最大完工时间和均衡度目标均有了大幅度优化。
由前面三个示例可知，本发明可以对窗口内的车辆进行优化，改善由于订单变更带来的不利影响，优化最大完工时间和零部件消耗的均衡度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，其特征在于，包括
S1：确定滚动窗口能容纳的白车身数量，按照初始加工顺序加工白车身，并按照加工程度将待加工的白车身进行分类；
S2：选取性能优化目标，构建动态调度数学模型；
S3：判断当前时间点是否为再调度周期时间的调度时刻或是否出现订单变更事件，若当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则执行步骤S4；否则，继续按照初始顺序加工白车身；
S4：当加工一段时间后，当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则对滚动窗口内的白车身进行再调度，根据动态调度数学模型生成新的白车身加工序列；
S5：根据再调度后新的白车身加工序列进行加工。
2.根据权利要求1所述的基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，其特征在于，所述再调度周期时间为变再调度周期时间，使再调度次数与生产车间的负荷成正比。
3.根据权利要求1或2所述的基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，其特征在于，选取最小化最大完工时间或/和物料消耗均衡度最大作为性能优化目标。
4.根据权利要求3所述的基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，其特征在于，当选取最小化最大完工时间作为性能优化目标时，所述动态调度数学模型为：
minf1＝min{maxCi}
其中，minf1表示通过调整汽车上线的顺序，使得最后一辆车的下线时间距离第一辆车的开工时间差值最小；Ci表示第i辆车的完工时间。
5.根据权利要求4所述的基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度方法，其特征在于，当选取物料消耗均衡度最大作为性能优化目标时，所述动态调度数学模型为：
Figure FDA0002985239200000021
其中，N1为本次生产的汽车总数量；N2为一辆车所需要的零部件总类别数；EVi,j表示在总共N1个订单中，平均每
Figure FDA0002985239200000022
个订单会使用一次零件Mi,j的期望；Vi,j表示订单。
6.一种基于滚动时间窗的焊接车间订单变更动态调度系统，其特征在于，包括MES系统，所述MES系统内存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时能够实现以下步骤：
S1：确定滚动窗口能容纳的白车身数量，按照初始顺序加工白车身，并按照加工程度将待加工的白车身进行分类；
S2：选取性能优化目标，构建动态调度数学模型；
S3：判断当前时间点是否为再调度周期时间的调度时刻或是否出现订单变更事件，若当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则执行步骤S4；否则，继续按照初始顺序加工白车身；
S4：当加工一段时间后，当前时间点为再调度周期时间的调度时刻或出现订单变更事件，则对滚动窗口内的白车身进行再调度，根据动态调度数学模型生成新的白车身加工序列；
S5：根据再调度后新的白车身加工序列进行加工。
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